发展工程思维的初中化学项目式学习——生活中水的净化与检验

魏 军

（常州市新北区奔牛初级中学 江苏 常州 213131）

一、项目价值分析

项目式学习是新课标倡导的学习方式，新课标在每个学习主题中都给出了项目式活动建议。它是一种建构主义理念下的以学生为中心的教学方式，它主张学生通过一定时长的小组合作，解决一个真实世界中的复杂、非常规且具有挑战性的问题，或完成一项源自真实世界且需要深度思考的任务，进而逐步习得包括知识、可迁移技能、思维方式价值观等在内的21世纪核心素养［1］。本研究中的项目式学习有以下两方面的突出作用。

1.落实新课程

《义务教育化学课程标准（2022 年版）》指出:“教师尽可能设计多样化的学习任务，结合教学内容的特点和学生的实际，引导学生开展分类与概括、证据与推理、模型与解释、符号与表征等具有化学学科特点的高阶思维活动；注意设计真实情境下不同陌生度和复杂度的问题解决活动，引导学生通过小组合作、实验探究、讨论交流等多样的方式解决问题；在课后服务中，开展项目学习活动，让学生在“做中学”“用中学”“创中学”，促进学生化学核心素养的发展［2］。以素养为导向的课程改革，对作业也提出新的要求，让学生在真实情境下，经历解决复杂问题的全过程，通过推理、思辨、决策、远迁移，提升学生解决问题以及与同伴合作的能力，从而发展核心素养。

2.培育工程思维

工程是人类一种创造实践活动，是人们为了改善自己的生存和生活条件，根据当时对自然规律的认识，进行的物化劳动的过程。工程思维是在工程的设计、研究和实践过程中形成的思维，其关键是运用各种知识及方式解决现实中的问题。工程思维的主体是工程师、企业家和管理者，它的核心是筹划性地运用各种知识解决工程实践问题，主要包含创造性思维、系统性思维、权衡性思维、价值性思维、双赢思维［3］。“生活中水的检测与净化”项目任务，按过程分，达成目标见表1。

表1 项目任务中工程思维达成目标

二、项目学习目标

该项目在学生学习沪教版化学第九章第三节“环境污染的防治——保护水资源”时实施，学生已掌握水处理的一般方法，即过滤、蒸馏、吸附、沉降等，硬水的检验、水中某些离子的检验方法、水的导电性实验等。根据课标内容，欲达成的目标如下:

1.通过查阅资料与上网信息搜索，能提炼出生活中水处理的一般方法及优缺点。

2.通过调查不同地方污水的信息，能从不同维度表述出水的生化指标。

3.通过网络查询一般家用水净水器、实地走访当地污水处理厂、自来水厂等，根据不同的场景，能选择合适的材料，制出简易净水装置。通过实验，评价设计的净水装置，初步判断净水器的优劣，并能说出理由。

4.通过“生活中水的净化与检验”这个项目任务，能从资源利用、成本、制作难易程度、净水效果、绿色安全等视角分析水的净化与检验的流程，初步形成工程思维。并形成污水处理、水净化等相关小论文，给出一般性水处理的方案、建议。

三、项目任务及教学流程

［创设情境］小田同学的父亲在鱼塘边有一个工棚，由于没有通自来水，用水有困难。由于河水比较浑浊，鱼腥味大，难以作为饮用水、生活用水。他想请同学们帮他设计一个能处理水的装置，并检验合格，放心饮用。

以“生活中水的净化与检验”为总项目，经学生讨论后拆解为四个递进式子项目，以“小田同学父亲的鱼塘边的工棚用水问题”这一真实情境，引发问题，开展活动，在真实的情境中发展学生的化学素养和工程思维。四个子项目、问题线、活动线、达成目标线如图1。

图1 “生活中水的净化与检验”教学思路

四、项目实施过程

1.子项目1——了解常见水处理的方式

［项目背景］“水的净化”是《义务教育化学课程标准（2022年版）》中“物质的性质与应用”模块下的重要内容。沪教版第三章“自然界的水”这一节中介绍了水处理的一般方法，第九章“环境污染与防治”中有污水净化相关内容。

［项目拆解］学生经分组讨论，提出以下问题:处理水的物理方法有哪些？化学方法有哪些？生化方法有哪些？小田同学的父亲有哪些用水问题？根据不同的用水问题，选择适合的水处理方法。

［学生活动］学生通过查阅资料、请教教师，实地参观常州市深水城北污水处理有限公司，整理归纳出水处理的几种方法。通过实地走访，了解到小田同学的父亲主要用水问题是工棚内的饮用水问题、生活用水问题，包括洗脸、刷牙、洗衣服用水等。

［交流展示］水处理物理法:主要有吸附、超滤、蒸馏、反渗透等。市场调查主要有三种方案，见表2。

表2 不同净水器性能与成本对比

生物法:利用微生物的新陈代谢功能，将污水中呈溶解或胶体状态的有机物分解氧化为稳定的无机物质，使污水得到净化。常用的有活性污泥法和生物膜法。生物法处理污水可用于大型污水处理，如城市污水处理。其中常州市污水处理选用活性污泥法处理法，详见图2。

图2 活性污泥法处理简易流程

化学法:是利用化学反应来处理或回收的方法，多用于工业废水。常用的有混凝法、中和法、氧化还原法、离子交换法等。化学处理法处理效果好、费用高，多用作生化处理后的出水，作进一步的处理，提高出水水质。

［结论］同学们经过商量，一致认为小田同学的父亲买一台小型水泵，把水从河里抽到高处的水箱里，在出水口安装一台易某得的超滤净水设备，可以满足日常生活需要。

［教师评价］同学们通过完成上述的项目任务，上网查阅资料，参观学习，通过评估各种方案，最终得出合理化建议。

设计意图：通过查阅资料、走访、参观等活动，让学生了解处理水的一般方式，家用净水器的原理，净化程度及成本，根据用水需求进行合理的选择，养成系统性思维和权衡性思维。

2.子项目2——水质检验的一般方法

［提问］你知道有哪些水质检验的方法？走访水质检测机构或自来水厂对水质有哪些检测指标？哪些适用于家庭检验？

［项目拆解］学生经过查阅资料，生活饮用水标准主要有微生物指标、毒理指标、感官性状、化学指标、放射性指标、消毒剂限值等。水体监测部门常检测COD、BOD、氨氮浓度、总磷等指标。初中实验室对水质检验可以闻气味、看颜色、测电导率、测pH、测氯离子、测硫酸根离子、测溶解氧等。家用有TDS（溶解性固体）水质检验仪，水质试剂盒如pH、氨氮、溶解氧、余氯、亚硝酸盐、总硬度等。

［学生活动］在教师的指导下，取学校附近的河水样品，将水样送至专业检测机构，得出简明报告，水质检测情况如下表3。

表3 水样指标简易报告

［实验结论］根据《地表水环境质量标准》，COD属于Ⅱ类水，氨氮为Ⅲ类水，总磷为Ⅱ类水，BOD为Ⅰ类水，细菌严重超标，是国家标准的三倍。

［学生活动］通过网上查找常州市自来水公司的相关水质检测内容，见表4。

表4 水质检测项目与指标

［学生活动］通过互联网查阅塞氏盘用于测定水质透明度或透光度。制作如图3所示的塞氏盘（直径20 cm）。

图3 塞氏盘

［实验］选择小田同学家鱼塘里的水为测定对象。用钓鱼线系好塞氏盘，在无直射阳光照射处，缓慢放下塞氏盘，至看不到盘面白色时，记下鱼线的长度。设计如下表5的表格，记录数据。

表5 河水透明度测量

［分析］鱼塘岸边水比较浑浊，透明度相对小，往河中心，透明度变大。可能原因是岸边的泥沙比较多。

［实验］取样，用pH计来测量水样的pH为7.7，河水为弱碱性。利用得力TDS 水质检测仪测得数值358，不适合饮用。利用氨氮试剂盒检测，取水样至标准容器的刻度线，加入2滴氨氮试剂1，摇匀，加入5滴氨氮试剂2，摇匀，静置10分钟，将水样的颜色与比色卡对照，读数。

［结论］经实验家庭适合的水质检查可以通过观察水样的感观指标如颜色、闻气味，用各种试纸测pH、TDS水质检测仪、水质快速检测盒等。

设计意图：通过查阅资料了解水质检验的一般指标，实验测定水的透明度、pH、TDS数值、氨氮值等，培养系统性思维、权衡性思维。

3.子项目3——净水器的制作

［材料准备］矿泉水瓶、可乐瓶、小卵石、石英砂、活性炭、滤纸、棉花、导管、橡皮塞等。

［设计方案］参考沪教版第九章的污水净化装置，小组成员利用两个饮料瓶，设计了如图4所示的简易净水装置。

图4 水处理装置①

［小组1］将矿泉水瓶剪去底部，找一个与瓶匹配的橡皮塞，打孔，插入导管备用。在矿泉水瓶中依次装入棉花、滤纸、活性炭、石英砂、小卵石，如图4所示。

［小组2］将一个可乐瓶一分为二，将上半部分倒转，依次放入棉花、滤纸、活性炭、石英砂、小卵石，如图5所示。

图5 水处理装置②

［小组3］该组同学认为第一组同学在过滤的时候速度太慢，将图6 上的可乐瓶换成吸滤瓶，并加上注射器，在过滤时，抽动注射器，过滤速度明显加快了许多。

图6 水处理装置③

［教师］创新不易，科学家创造一个产品，也是经过不断地调试、改进。侯德榜发明联合制碱法时，也进行了成千次的尝试，做科学需要有坚韧的毅力和勇于创新的精神。

设计意图：在体验中感受实验创作的乐趣、竞争感，增强学生的参与感。认识到创作的不易，通过作品的展示、改进和讨论，将同学们的思维显性化，有利于学生的自我评价与提升，激发学生的创造力和勇于实践的能力，在思考中探索、改进。在体验中认识科研的艰难，培养学生创新性思维、价值思维、双赢思维。

4.子项目4——净水器的测试与评价

［教师］同学们，你们的净水装置，在实际应用中有没有效果呢？净水装置的优劣应该有哪些指标呢？

［实验1］将自制净水器搭建好，取污水加入以上三个净水器中，观察净水效果，并对比净化1次、3次、5次的效果，记录前后水的感观指标，如颜色、气味、过滤速度。

［实验2］利用显微镜（1 000 倍）观察，取过滤前一滴水于载玻片上，盖上盖玻片，观察到有许多细沙、有许多单细胞生物，如草履虫等，过滤后，细沙明显减少，但还有许多微生物。用同样的方法再观察过滤后的水样。

［参观实践］在教师的带领下，走进专业实验室，了解自然界的水质一般检测方法，在教师指导下，利用水样分析仪，做几个简单的检测。

［查阅资料］净水器的优劣指标可以把水质（TDS值）、流速、滤芯、成本作为主要指标。

［教师评价］同学们自制净水器过滤材质比较单一，可以试试高透水过滤棉等其他材质。第三种装置虽然加速了过滤速度，可以考虑接一下抽气机，实现连续抽气。

设计意图：通过合作探究，查阅资料，分析解决实际问题，跨学科学习，练习了显微镜的使用，最终形成项目成果。在实验、分析、讨论中培养绿色化学理念，形成关注环境、保护水资源的科学态度与社会责任。

5.项目成果展示

［项目作业］经过上面的学习，请每个小组写一篇水的净化与检测的小论文，利用周末的时间，每组制作一个汇报的ppt。

［交流展示］略。

设计意图：撰写论文是本项目外显的研究成果，评价学生运用知识，处理水污染有关问题，并总结提炼出模型。培训知识迁移的能力，发展化学核心素养，树立环保意识。

五、项目评价

活动结束后，本项目设计如下表所示的评价表，见表6，将活动过程与效果，学生评价主体的多元化，最后以等级的方式呈现出来，总体85~100分为优秀，70~84为良好，60~70为合格。

表6 项目活动评价表

六、项目学习实践反思

该项目基于初中化学新课标的第五个主题:化学与社会·跨学科实践，以“生活中的水的净化与检验”为总项目，拆解为四个子项目，以生活化真实的情境引发问题。知识层面，巩固了硬水、软水的区别，水处理的一般方法，吸附、沉淀、过滤、蒸馏、反渗透等；实践层面，学生经历了解决项目问题的全流程，即项目选择、制订计划、活动探究、作品制作、成果交流、活动评价。特别是在成果交流环节，学生介绍许多新型即用新型水处理技术如反渗透过滤水袋，荒野求生中贝尔·格里尔斯处理水的方式，感觉到他们学习的热情。有着一定的成果驱动性，使学生经历“是什么”到“为什么”，再到“怎么做”的过程。但是在面对陌生问题时，个别女同学表现得不如解题时灵活，可能是平时实验动手的机会偏少的原因，有关生化指标，如病毒、细菌类的指标还未能去尝试表征。

同时，作为教师也应该不断地学习，拓展专业知识、跨学科相关知识，如生物中细菌、微生物的相关知识，净水机中相关的物理知识，学习专业检测机构中COD、总氮、总磷等指标测定的原理。同时，教师在这种新的学习方式中，也要找准自己的定位，做好项目拆解，任务设计，及时发现项目实施时的生成性问题，培育工程思维。